Introduction Faire des bulles de savon a fait partie des jeux qui ont bercé notre enfance. Tout enfant a été au moins une fois émerveillé par la magie des bulles. Cependant nous n'avons pas forcément eu l'occasion de comprendre leurs propriétés et leur fonctionnement. Aujourd'hui, l’occasion nous est donnée de mettre en parallèle notre problématique et les questions qui nous ont traversé l'esprit quand nous étions petits. Problématique : « La taille d’une bulle de savon influence-t-elle sa durée de vie ? » Nous allons résoudre notre problématique en comprenant ce qu’est une bulle de savon puis en expérimentant sur la taille et la durée de vie d’une bulle de savon. A l’image du plaisir que l’on éprouve à réaliser une bulle… “Cupidon à la Bulle de savon,” Rembrandt-1634 1. Qu’est-ce qu’une bulle de savon ? Une bulle de savon est constituée d’une fine membrane de liquide, qui entoure un certain volume d’air. Dans cette membrane, les molécules de savon sont disposées comme à la surface de l’eau : leurs queues hydrophobes en direction de l’air et leurs têtes hydrophiles dans le liquide. La présence des molécules de savon collées entre elles à la surface de la membrane, permet le maintien de l’eau dans une position peu naturelle. Les queues hydrophobes entretiennent entre elles des interactions qui les maintiennent collées les unes aux autres. C’est comme s’il existait une fine peau autour de l’eau qui l’empêchait de prendre la forme de gouttelettes, comme elle le fait normalement dans l’air. Mais la gravité attire l’eau vers le sol, c’est pour cela qu’il y a souvent une goutte d’eau qui se forme en bas de la bulle. Lorsque toute l’eau s’est écoulée, la paroi devient trop fine pour supporter les forces qui s’exercent sur elle et la bulle éclate. Le temps d’écoulement dépend de données externes. Si la bulle se trouve dans un environnement sec, l’eau s’évaporera beaucoup plus vite (accélération de la perte de l’eau entre les couches de molécules de tensioactifs). L’eau ainsi que le savon sont des composants essentiels de la bulle de savon. En effet, il faut savoir que : • Les composés hydrophiles, comme le sel par exemple, s’associent très bien à l’eau grâce à des liaisons faibles entre les molécules. Ils sont dans un état de dissolution. • Les composés hydrophobes, comme les huiles repoussent l’eau et se collent entre eux lorsqu’on les plonge dans une solution aqueuse. Ils sont insolubles. Les savons sont des molécules très particulières. Elles sont composées d’une longue chaîne hydrophobe d’atomes de carbone, (groupe COO chargé négativement) prolongée à l’une de ses extrémités par une fonction chimique chargée positivement que l’on appelle la tête hydrophile. On dit donc que ce sont des molécules amphiphiles. Ces molécules sont des tensio-actifs (ils modifient la tension superficielle des liquides dans lesquels ils se trouvent). Lorsque le savon se mélange à l’eau, les têtes hydrophiles s’associent à l’eau et les queues hydrophobes tentent de la fuir. Les molécules se déploient à la surface pour former un film d’une extrême finesse, que l’on peut facilement observer. Si l’on jette une seule goutte de savon dans l’eau, on pourra très rapidement voir le savon se répandre à la surface en une tâche huileuse et brillante. Cette association particulière entre l’eau et le savon permet la création d’une bulle, qui est en fait un mince film entourant de l’air et ayant une durée de vie limitée. 2. Pourquoi une bulle de savon éclate-t-elle ? Une bulle de savon renferme un certain volume d’air (et de gaz), elle est donc soumise aux forces de pression intérieure à l’origine de son étirement. Cela pousse les parois, dans le seul but d’agrandir la bulle. Les molécules de tensio-actifs empêchent l’éclatement de la bulle, car les deux couches de molécules se repoussent entre elles. Cependant les forces de pression extérieures contractent la bulle. La bulle est donc soumise simultanément à de nombreuses forces. La bulle s’étire jusqu’à ce que les pression intérieures et extérieures se compensent et permettent une stabilité. Si l’on rompt cette stabilité, cela provoquera une plus grande fragilité de la bulle et donc son éclatement. A présent que nous connaissons les propriétés des bulles de savon, nous allons pratiquer une observation expérimentale. 3. L’expérimentation sur les bulles de savon Pour fabriquer des bulles de savon nous avons besoin d’une solution à bulles. a. Fabrication d’une solution pour faire des bulles de savon Matériel : -une baguette en verre -deux béchers -deux éprouvettes graduées -une balance -un petit bac en plastique Ingrédients : -liquide vaisselle (pour plus de résultats, il faut utiliser un liquide contenant de l’aminoxyde) -eau -glycérine -sucre Nous mélangerons le tout dans un récipient. Voici le protocole de fabrication : 1 – Mettre 25 d’eau 2 – Ajouter 5% de sucre 3 – Ajouter 20% de liquide vaisselle 4 – Ajouter 10% de Glycérine 5 – Ajouter 40% d’eau 6 – Laisser reposer plus d’une heure. (* entre chaque partie, mélanger !) b. Protocole expérimental Après la préparation de la solution à bulles, nous allons tenter une expérience, qui nous permettra de connaître le volume de la bulle et de mesurer sa durée de vie. Nous pourrons ensuite savoir s’il existe un lien entre la taille d’une bulle de savon et sa durée de vie. On trempe tout d’abord l’extrémité du tube en verre dans le liquide à bulles. Puis on verse la quantité désirée d’eau distillée dans l’entonnoir avec la burette graduée. Cela entraîne la formation d’une bulle au bout du tube en verre. Elle sera composée du même volume d’air que le volume d’eau versé précédemment. On peut maintenant à l’aide d’un chronomètre mesurer la durée de vie de la bulle. Comme le résultat varie en fonction de certains facteurs environnementaux (humidité, souffle d’air, température, pression), nous avons refait l’expérience plusieurs fois avec le même volume d’eau. Les résultats que nous avons utilisés sont donc une moyenne. c. Les résultats obtenus et leurs interprétations On remarque à l’aide de ce tableau, que plus le volume de la bulle est grand, plus sa durée de vie est petite. Notre première hypothèse serait de dire qu’il existe donc un lien entre le volume d’une bulle de savon et sa durée de vie: plus une bulle serait petite et plus elle durerait longtemps. Cependant notre problématique traite de la taille d’une bulle (son diamètre) et non pas de son volume. Il nous faut donc à présent trouver une formule nous permettant de calculer le diamètre d’une bulle à partir de son volume. Une bulle a une forme sphérique et son volume est égal à (4 x π x R3) : 3 On peut calculer à partir de cette formule le rayon de la bulle. V= (4 x π x R3) : 3 4 x π x R3= 3V R3= (3V) : (4π) R = [ (3V) : (4π) ] 1/3 D = 2R = 2 [ (3V) : (4π) ] 1/3 Donc, le diamètre de la bulle est : Utilisation expérimentale de la formule : On veut calculer le rayon d’une bulle de 5cm3 de volume. 5cm3 = 5 x 10-6 m3 R = [ (3 x 5 x 10-6) : (4π)]1/3 R = 0,01 m = 1 cm Pour trouver le diamètre de la bulle, il faut multiplier le résultat par 2. Dans l’exemple que nous avons pris, la bulle a donc un diamètre de 2cm. Nous appliquons cette formule aux résultats que nous avons trouvés : Remarque : Plus un volume est grand, plus la taille de son diamètre augmente lentement. Ce qui semble logique. En effet pour combler une bulle plus grande, il faut un volume d’air plus important car l’envergure de la bulle augmente. Même si la relation entre le diamètre et le volume est une formule générale, la représenter sous forme de graphe nous permet de connaître le volume pour le diamètre désiré. A présent, nous avons toutes les données dont nous avions besoin pour faire un graphe représentant la durée de la vie d’une bulle en fonction de son diamètre. Une bulle de 4,57 cm de diamètre a une durée de vie de 279 s (en moyenne) alors qu’une bulle de diamètre plus important (9,14 cm) possède une durée de vie de 18,5 s (en moyenne). La différence de durée de vie est donc flagrante. On remarque qu’elle varie de manière très importante pour une bulle qui a entre 4 cm et 6 cm de diamètre. Notre hypothèse de départ est vérifiée, nous pouvons donc affirmer que plus une bulle est petite plus sa durée de vie augmente sans qu’il y ait pour autant une relation de proportionnalité. Il faut maintenant se demander à quoi est liée cette différence de durée de vie. 4. Quels sont les facteurs qui déterminent cette différence de durée de vie en fonction de la taille? Pour y répondre nous allons étudier les forces qui s’appliquent sur la bulle : Nous prendrons l’exemple d’une bulle de savon qui est dans les airs et qui n’est pas retenue par le moindre objet (contrairement à ce que nous avons fait dans notre expérience, en effet la bulle est reliée au tube en verre). Tout d’abord, la force de gravité, nommée aussi le poids P agit sur la bulle. Cette force est de direction verticale et de sens vers le bas. C’est elle qui fait “descendre” la bulle et a tendance à la déformer. Comme une bulle est très légère son poids P est minime (peu important). La force de gravité fait aussi descendre l’eau qui est autour de la bulle (on peut voir la formation d’une goutte d’eau en bas de la bulle). Cela accélère l’éclatement de celle-ci car sa paroi, étant plus mince, est moins résistante. Ensuite, la poussée d’Archimède s’applique sur la bulle. Elle est surtout connue comme la force qui pousse un objet immergé hors de l’eau avec une force égale au poids P de l’eau déplacée. Cependant elle s’applique aussi sur la bulle et tend à la faire monter avec une force égale au poids P de l’air déplacé. De même que le poids, cette force n’est pas très importante. Le poids et la poussée d’Archimède se compensent presque. Cependant, le poids est à peine plus important car lorsqu’on libère une bulle dans les airs celle-ci « descend » , prouvant ainsi que le poids est supérieur à la poussée d’Archimède. De plus, on peut constater des forces de tension superficielle à la surface de la bulle de savon, elles constituent la séparation entre deux matériaux de deux états différents (liquide, solide et/ou gaz). Elles forment comme une coquille autour de la bulle. Autrement dit, chaque molécule située à l’interface eau-air a un lien à compléter l’attirant au final vers une autre molécule de surface. Ces forces supplémentaires lient plus fermement les molécules de surface dans tous les liquides (elles sont plus attirées côté liquide que côté air). L’effet se produit lorsque l’eau rencontre l’air ou un autre gaz. Résultat : la surface est « tendue comme une arbalète ». D’où le terme de tension de surface ou plus communément, tension superficielle. Les forces de tension superficielle sont donc celles qui assurent le maintien de la forme de la bulle. Mais la gravité agit également et tente d’en entraîner le sommet vers le bas. Dès que la force gravitationnelle est supérieure aux forces de tension superficielle, la bulle s’effondre. Le même effet limite la taille d’une goutte d’eau qui tombe d’un robinet : au final, le poids de l’eau est simplement trop important pour que la tension superficielle y résiste. Plus une bulle est grosse plus elle contient d’eau. Elle est donc plus lourde et prend plus d’espace. Par conséquent, son poids (P= m.g) ainsi que sa Poussée d’Archimède sont plus importants qu’une bulle plus petite. Nous pouvons donc en conclure que la force de tension superficielle résistera moins longtemps à ces forces qui tiraillent la bulle, ce qui entraînera son éclatement. Conclusion Nous avons donc vu à partir d’une expérience que plus une bulle est grande plus elle éclatera rapidement puis nous avons démontré cette observation à partir des forces qui s’exercent sur la bulle. Ainsi la force de tension superficielle permet la survie de la bulle de savon et résiste plus longtemps si la force de gravité et la poussée d’Archimède ne sont pas très importantes, ce qui explique qu’une petite bulle de savon aura une durée de vie plus longue qu’une bulle plus grosse. Cependant à l’air libre, et non pas en situation d’expérience, il existe d’autres facteurs qui se rajoutent, tels que le vent ou la pression atmosphérique. On peut donc s’étonner qu’il soit si facile de faire des bulles de savon compte tenu du nombre de paramètres qui entrent en jeu et de l’équilibre entre les différentes forces qu’il faut atteindre. Bibliographie: ⁃ http://www.cemea.asso.fr/spip.php?article3929 ⁃ http://weshlesbubulles.free.fr/index.html ⁃ http://www.sciences92.ac-versailles.fr/spip/spip.php?article10 ⁃ http://fr.wikipedia.org/wiki/bulles-de-savon ⁃ http://www.tpe-bulles-de-savon.moi.fr ⁃ http://www.rweb.fr/index.php?q=bulles+de+savon ⁃ http://www.unilim.fr/scientibus/36manips/fiche_det.php?num_manip=36 ⁃ http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/vie_scientifique/fete_de_la_science/bulles_geantes/recette.htm ⁃ http://www.sfc.fr/Graine%20de%20chimiste/precisionbullesdesavon.pdf ⁃ http://www.rvweb.fr/old_sites/rvweb4/documents/index.php?id=14 ⁃ http://www.rvweb.fr/old_sites/rvweb4/documents/index.php?id=14 ⁃ « Goutte d'eau » CE: 20599 (livre doccumentaire) ⁃ Encyclopédie ⁃ Revue Science & vie junior. Documents mis en ligne sur le site : -http://bulledesavon.lescigales.org/Site/TPE/Bienvenue.html http://www.cemea.asso.fr/spip.php?article3929http://weshlesbubulles.free.fr/index.htmlhttp://www.sciences92.ac-versailles.fr/spip/spip.php?article10http://fr.wikipedia.org/wiki/bulles-de-savonhttp://www.tpe-bulles-de-savon.moi.frhttp://www.rweb.fr/index.php?q=bulles+de+savonhttp://www.unilim.fr/scientibus/36manips/fiche_det.php?num_manip=36http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/vie_scientifique/fete_de_la_science/bulles_geantes/recette.htmhttp://www.sfc.fr/Graine%20de%20chimiste/precisionbullesdesavon.pdfhttp://www.rvweb.fr/old_sites/rvweb4/documents/index.php?id=14http://www.rvweb.fr/old_sites/rvweb4/documents/index.php?id=14http://bulledesavon.lescigales.org/Site/TPE/Bienvenue.htmlshapeimage_2_link_0shapeimage_2_link_1shapeimage_2_link_2shapeimage_2_link_3shapeimage_2_link_4shapeimage_2_link_5shapeimage_2_link_6shapeimage_2_link_7shapeimage_2_link_8shapeimage_2_link_9shapeimage_2_link_10shapeimage_2_link_11

Photographie du matériel utilisé pour la création d’une solution à bulles